如果质量使时空弯曲,它如何再次弯曲?

物质告诉空间如何弯曲,弯曲的空间告诉物质如何运动。这是爱因斯坦广义相对论背后的基本原理,它首次将引力现象与时空和相对论联系起来。在宇宙的任何地方放置一个物体,它周围的空间就会相应地弯曲。但如果你把质量拿走,或把它移到别处,是什么导致时空“弹回”到它未弯曲的位置?这是埃德加·卡朋特的《问伊森》,他写道:
我们被教导质量扭曲时空,而围绕质量的时空曲率解释了重力——因此,例如,一个绕地球轨道运行的物体,实际上是沿着一条直线穿过弯曲的时空。好吧,这说得通,但是当质量(比如地球)穿过时空并使其弯曲时,为什么时空不会保持弯曲呢?当质量移动时,是什么机制使时空区域不扭曲?
关于这个问题有很多有趣的地方,答案可以帮助你理解重力是如何起作用的。
在爱因斯坦之前的几百年里,我们最好的引力理论来自牛顿。牛顿的宇宙概念简单、直接,在哲学上令许多人不满意。他声称,宇宙中的任何两个物体,无论它们位于哪里,或它们相距多远,都会通过一种称为引力的相互作用力瞬间吸引对方。质量越大,力越大,距离越远(平方),力就越小。这将适用于宇宙中的所有物体,而牛顿的万有引力定律,不像所有其他提出的替代品,与观测结果完全一致。
但它引入了一个当时许多顶尖知识分子无法接受的概念:远程行动的概念。两个位于半个宇宙之外的物体是如何突然、瞬间对对方施加作用力的?它们怎么能在这么远的地方相互作用而不受任何干扰呢?笛卡尔无法接受这一理论,于是提出了另一种理论,即存在一种引力可以通过的介质。他认为,空间中充满了一种物质,当一个质量通过它时,它会取代物质并产生漩涡:这是以太的早期版本。这是被称为重力力学(或动力学)理论的一系列理论中最早的一个。
当然,笛卡尔的观点是错误的。与实验的一致性决定了物理理论的效用,而不是我们对某些审美标准的偏好。当广义相对论出现时,它从根本上改变了牛顿定律为我们描绘的图景。例如:
空间和时间不是绝对的,在任何地方都是相同的,但对于以不同速度和不同位置移动的观察者来说:
空间和时间是相关的,表现也是不同的。
引力不是瞬时的,而是以一个有限的速度传播的:重力的速度,它应该等于光速。
引力不是由质量和位置直接决定的,而是由空间的曲率决定的,而曲率本身是由整个宇宙的全部物质和能量决定的。
距离的作用是存在的,但牛顿的“通过静态空间的无限范围的力”被时空曲率所取代。
如果太阳突然消失,从宇宙中消失,我们在一段时间内都不会知道。地球不会立刻以直线飞离;它将继续绕太阳轨道运行8分20秒。决定万有引力的不是质量,而是空间的曲率,它是由空间中所有物质和能量的总和决定的。
如果你把太阳拿走,空间会从弯曲变成平坦,但这种转变不是瞬时的。因为时空是一种结构,这种转换必须以某种“断裂”的运动发生,这将在宇宙中发出巨大的涟漪——也就是引力波——向外传播,就像池塘里的涟漪。
这些波纹的速度与相对论中任何物体的速度一样,由它们的能量和质量决定。由于引力波没有质量,但能量有限,所以它们必须以光速运动。这意味着,如果你想一下,地球并不是直接被太阳在空间中的位置吸引,而是被太阳在8分钟前的位置吸引。
这很奇怪,也是一个潜在的问题,因为对太阳系的研究是如此深入。如果地球被吸引到太阳的位置~8分钟前使用牛顿定律,行星的轨道将不符合观测。然而,广义相对论还有另一个不同之处。你还需要考虑行星绕太阳运行时的速度。
例如,地球,因为它也在运动,有点像“骑”过在空间中旅行的波纹,落在不同的位置,从它上升的地方。在广义相对论中,有两个新的效应使这个理论与牛顿的理论非常不同:每个物体的速度影响着它感受重力的方式,引力场中发生的变化也是如此。
如果你想计算空间中任意一点的时空曲率,广义相对论允许你这么做,但你需要知道一些东西。你需要知道宇宙中所有质量的位置、大小和分布,就像牛顿要求的那样。但你还需要以下信息:
这些质量是如何移动的以及它们是如何随时间移动的,
所有其他(非质量)形式的能量是如何分布的,
你观察/测量的物体如何在一个变化的引力场中运动,
以及空间曲率如何随时间变化。
只有有了这些额外的信息,你才能计算出在空间和时间的某个特定位置,空间是如何弯曲的。
但这种弯曲和不弯曲是有代价的。你不可能仅仅移动,比如说,一个加速的地球穿过太阳不断变化的引力场而不产生任何后果。事实上,它是存在的,尽管它很小,它可以被测试。与牛顿的理论不同,在牛顿的理论中,地球在绕太阳公转的过程中应该沿着一个闭合的椭圆轨道运行,而广义相对论预测,这个椭圆轨道应该随着时间的推移而进动,并且轨道会非常缓慢地衰减。这可能需要比宇宙年龄更长的时间,但它不会是任意稳定的。
事实上,在我们测量引力波之前,这是我们测量重力速度的主要方法。提醒你一下,不是针对地球,而是针对一个轨道变化很容易观察到的极端系统:一个至少包含一颗中子星的紧轨道系统。
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